裝載株洲所核心部件的CRH380A動(dòng)車組示意圖

    文章導(dǎo)讀： 歷時(shí)11年,，累計(jì)1000萬次試驗(yàn),，積累150G數(shù)據(jù)，耗資1億元,，中國中車旗下株洲電力機(jī)車研究所有限公司（下稱“株洲所”）攻克了第三代軌道交通牽引技術(shù),，即永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)（下稱“永磁牽引系統(tǒng)”）,，掌握完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),，成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。

    “誰擁有永磁牽引系統(tǒng),，誰就擁有高鐵的話語權(quán)”

    【發(fā)現(xiàn)中國原創(chuàng)技術(shù)】中國高鐵用上了世界最先進(jìn)的牽引技術(shù)

    《中國經(jīng)濟(jì)周刊》 記者曹昌見習(xí)記者李永華｜湖南株洲報(bào)道

    歷時(shí)11年,，累計(jì)1000萬次試驗(yàn)，積累150G數(shù)據(jù),，耗資1億元,，中國中車旗下株洲電力機(jī)車研究所有限公司（下稱“株洲所”）攻克了第三代軌道交通牽引技術(shù)，即永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)（下稱“永磁牽引系統(tǒng)”）,，掌握完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),，成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。

    2015年5月16日,，長沙地鐵1號(hào)線使用的永磁同步電機(jī)成功交付,。這是國內(nèi)首次將永磁同步電機(jī)裝載在整列地鐵車輛投入裝車應(yīng)用。

    中國工程院院士,、株洲所總經(jīng)理丁榮軍透露,，目前，株洲所已研發(fā)出可用于時(shí)速500公里的高鐵動(dòng)車的690kW永磁牽引系統(tǒng),，即將小批量生產(chǎn),。這標(biāo)志著我國成為繼德、日,、法等國之后,，世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。

    “中國具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的永磁牽引系統(tǒng)已經(jīng)邁開產(chǎn)業(yè)化步伐,，中國軌道交通的‘永磁牽引時(shí)代’終于來臨了,。”丁榮軍表示。

    從“地鐵用”到“高鐵用”：“爬完衡山又去登珠峰”

    牽引傳動(dòng)系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)被稱為“列車之心”,，其性能在某種程度上決定了列車的動(dòng)力品質(zhì),、能耗和控制特性，也影響著列車的經(jīng)濟(jì)性,、舒適性與可靠性,，是節(jié)能升級(jí)的關(guān)鍵。

    世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的第一代是直流電機(jī)牽引系統(tǒng),，第二代是起步于20世紀(jì)70年代的交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),，為當(dāng)前的主流技術(shù)。

    株洲所副總經(jīng)理馮江華介紹,，“對(duì)軌道交通牽引技術(shù)來說,，永磁牽引系統(tǒng)是一場革命，誰擁有永磁牽引系統(tǒng),，誰就擁有高鐵的話語權(quán),。”

    永磁牽引系統(tǒng)是列車的動(dòng)力系統(tǒng),，由變流器和電機(jī)兩大部分組成，其中變流器相當(dāng)于列車的心臟,，電機(jī)好比是列車的肌肉,，電機(jī)主要負(fù)責(zé)傳達(dá)動(dòng)力，完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變,，帶動(dòng)列車平穩(wěn)行駛,。

    目前，西門子,、龐巴迪等國際設(shè)備制造商均將永磁牽引系統(tǒng)作為其研發(fā)方向,。在這個(gè)新興領(lǐng)域，中國并沒有輸在起點(diǎn),。

    2003年,，有關(guān)永磁牽引系統(tǒng)的闡述第一次傳入馮江華的耳朵。當(dāng)時(shí),，該項(xiàng)技術(shù)尚處于理論研究階段,。然而，馮江華察覺到,，永磁牽引系統(tǒng)必將取代交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),，必須迅速研發(fā)。當(dāng)年,，株洲所率先組建了國內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì),，“從零起步”。

    株洲所基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心副主任許峻峰稱,，在交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)研發(fā)階段，我國比國外落后了20來年,；在更先進(jìn)的永磁同步領(lǐng)域,，“我們就像是沒有車燈的汽車，在黑燈瞎火的山路上摸索,，方向稍有把握不準(zhǔn),，后果不僅僅是跑偏”。

    “電機(jī)控溫是項(xiàng)目進(jìn)展最大的瓶頸,。”許峻峰介紹,，為避免水、灰塵,、鐵屑等腐蝕電機(jī)內(nèi)部永磁體,，電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu)，但由于電機(jī)功率太大,，發(fā)熱過高,，永磁材料在高溫,、振動(dòng)和反向強(qiáng)磁場等條件下，可能發(fā)生不可恢復(fù)性失磁的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn),。“如果列車在高速運(yùn)行時(shí)失磁,，后果不可想象。”

    馮江華回憶,，“沒有任何可以借鑒的資料,，也缺少研發(fā)測(cè)試用的相關(guān)設(shè)備”，株洲所只能“摸著石頭過河”,，不少數(shù)據(jù)仍要依靠比較原始的笨辦法,。“比如說，電機(jī)升溫試驗(yàn)一做就是五六個(gè)小時(shí),，電機(jī)溫控?cái)?shù)據(jù)就人工全程蹲守來記錄,，這樣來慢慢積累。”馮江華稱,。

    研發(fā)團(tuán)隊(duì)成立8年后,，也就是2011年底，株洲所永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號(hào)線成功裝車,，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用,，結(jié)束了中國鐵路沒有永磁牽引系統(tǒng)的歷史。株洲所也成為我國唯一掌握自主永磁牽引系統(tǒng)全套技術(shù)的企業(yè),。截至2015年5月底,，沈陽地鐵2號(hào)線已無故障載客運(yùn)營7萬公里。

    “這一次,，我們搶坐了頭把交椅,。”馮江華告訴記者，2011年,，株洲所受命參與國家“863計(jì)劃”之“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點(diǎn)項(xiàng)目”,，承擔(dān)高速動(dòng)車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。

    從“小功率”轉(zhuǎn)向“大功率”,，從“地鐵用”轉(zhuǎn)向“高鐵用”,，株洲所面臨著新的難關(guān)。

    株洲所首席設(shè)計(jì)專家李益豐對(duì)《中國經(jīng)濟(jì)周刊》稱,，沈陽地鐵用的永磁同步電機(jī)功率是190kW,，而用于時(shí)速500公里高速動(dòng)車組的電機(jī)功率高達(dá)690kW，且始終是高速運(yùn)行狀態(tài),，對(duì)牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰(zhàn)，“對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)就像是爬完衡山，又去攀登珠峰”,。

    盡管如此,， 株洲所卻提前完成任務(wù)。2013年12月,，株洲所成功開發(fā)出可用于時(shí)速500公里高鐵動(dòng)車的電機(jī),，2014年10月在青島四方股份公司成功裝車考核。

    “順利的話,，中國高鐵很快就能全面用上永磁牽引系統(tǒng),，不僅更節(jié)能，也更穩(wěn)定,，更安全,。”李益豐稱。

  “節(jié)能神器”：讓高鐵電機(jī)功率提高60%

    丁榮軍對(duì)《中國經(jīng)濟(jì)周刊》介紹,，2014年,，株洲所的牽引系統(tǒng)在城市軌道列車市場占有率達(dá)57%，今后將逐步以永磁牽引系統(tǒng)取代異步電機(jī)系統(tǒng),。

    株洲所下屬的時(shí)代電氣公司副總經(jīng)理兼總工程師劉可安說：“高效節(jié)能是永磁牽引系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì),。”

    數(shù)據(jù)顯示，株洲所研發(fā)的690kW永磁同步電機(jī),，比目前主流的異步電機(jī)功率提高60%,，電機(jī)損耗降低70%。

    根據(jù)沈陽地鐵2號(hào)線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),，劉可安算了一筆賬：一條地鐵每年可節(jié)能折合400萬元,，“這就是利潤，哪家單位會(huì)不愿意用,？”

    劉可安拿出的一份業(yè)內(nèi)分析報(bào)告顯示：到2020年前后,，全國將建設(shè)約100條城市軌道交通線路。如果新建線路60%采用永磁牽引系統(tǒng),，預(yù)期的產(chǎn)值將達(dá)到100億元,，全國每年新線運(yùn)營能耗將節(jié)約2.4億元。

    永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)領(lǐng)域也展現(xiàn)出極強(qiáng)的替代優(yōu)勢(shì),。基于永磁變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的中央空調(diào)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能40%,。一臺(tái)240kW的中央空調(diào),，若每年運(yùn)行4個(gè)月，一年至少可節(jié)約用電11.52萬度,。按全國40000臺(tái)中央空調(diào)測(cè)算,，則一年即可節(jié)約用電46億度，少排放46萬噸二氧化碳,。

    自2009年啟動(dòng)研發(fā)以來,，株洲所成功研制了世界上第一套中央商用空調(diào)永磁高速直驅(qū)系統(tǒng),，成為國內(nèi)外唯一一家中央空調(diào)永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供應(yīng)商。截至2015年4月底,，株洲所永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)上已應(yīng)用400多套,。在今年4月的中國制冷展上，格力電器就將裝載永磁同步變頻熱泵離心機(jī)的中央空調(diào)作為其高端產(chǎn)品推向市場,。

    永磁牽引系統(tǒng)的高效節(jié)能,，讓株洲所在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電,、100%低地板現(xiàn)代有軌電車等領(lǐng)域也占據(jù)了市場競爭的高點(diǎn),。

    馮江華稱，永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還在起步階段,，“今后,，株洲所一方面是縱向上深化和細(xì)化技術(shù)研發(fā)， 另一方面是橫向上不斷擴(kuò)展永磁牽引技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,，實(shí)現(xiàn)全面布局和持續(xù)領(lǐng)先,。”

    專家點(diǎn)評(píng)

    中國工程院院士劉友梅：

    永磁同步牽引系統(tǒng)是我國高鐵技術(shù)升級(jí)的典范

    世界軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)歷了“直流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)”向“交流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)”發(fā)展后，目前正在由“感應(yīng)異步傳動(dòng)”朝“永磁同步傳動(dòng)”發(fā)展,。永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效率,、高功率密度的顯著優(yōu)勢(shì)，代表了當(dāng)前提倡節(jié)能減排,、綠色環(huán)保的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),，成為各大發(fā)達(dá)國家競相研究的技術(shù)熱點(diǎn)，是花錢也買不到的核心技術(shù),。

    中國中車株洲電力機(jī)車研究所成功自主開發(fā)了高速列車永磁同步牽引系統(tǒng),，使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。該永磁同步牽引系統(tǒng)的電機(jī)額定效率達(dá)到了98%以上,，將電機(jī)損耗降低至原來的三分之一,，顯著降低了高速列車的牽引能耗。在我國能源日益緊張,，社會(huì)迫切需求“綠色交通”的大背景下,，永磁同步牽引系統(tǒng)成為了我國高速鐵路技術(shù)升級(jí)的一個(gè)典范。

    為了早日趕上發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平,，我們?cè)谘兄茣r(shí)主動(dòng)提高了目標(biāo)

    株洲電力機(jī)車研究所有限公司副總經(jīng)理馮江華

    技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)賴以生存的支柱和持久發(fā)展的動(dòng)力,。2003年，我們即著手開展永磁同步牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,。當(dāng)時(shí)永磁技術(shù)在國外尚處于起步階段,，技術(shù)完全保密，對(duì)外嚴(yán)格封鎖技術(shù)轉(zhuǎn)讓。我們只能從零起步,，摸著石頭過河,，開展了大量理論分析、仿真研究和三維虛擬設(shè)計(jì)等,，經(jīng)歷不下百萬次的地面試驗(yàn),，積累了數(shù)百G的硬盤數(shù)據(jù)，于2011年成功研制了我國首套軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng),，并且在沈陽地鐵2號(hào)線列車上成功實(shí)現(xiàn)裝車試驗(yàn),，這也是永磁系統(tǒng)在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用。

    沈陽試驗(yàn)的同一年,，我們接到了國家“863計(jì)劃項(xiàng)目”開發(fā)高速動(dòng)車組用600kW永磁同步牽引系統(tǒng)的任務(wù),。為了早日趕上發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，在接到任務(wù)后,，我們內(nèi)部將研制的目標(biāo)提高到了690kW,。三年的堅(jiān)守與付出，最終換來成功的喜悅,。

    牽引系統(tǒng)性能的優(yōu)劣決定了列車的技術(shù)水準(zhǔn),。此次我們開發(fā)的高速動(dòng)車組690kW永磁同步牽引系統(tǒng)使我國高速鐵路擁有了世界上最先進(jìn)的牽引技術(shù)，有力地提升了我國高速鐵路的技術(shù)水平,，再次向世界表明我國高速鐵路完全具備自主創(chuàng)新的技術(shù)能力,。

    更加關(guān)鍵的是,永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅在軌道交通領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)革命，而且還是新能源汽車,、超高速永磁驅(qū)動(dòng)離心商用空調(diào),、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的核心技術(shù)，是我們高端裝備技術(shù)進(jìn)步的基石,。